物理学教程下册答案(第二版)9-16.pdf

物理学教程下册答案 9-1 6第 九 章 静 电 场9-1 电荷面密度均为+。的两块“无限大”均匀带电的平行平板如图（A）放置，其周围空间各点电场强度E（设电场强度方向向右为正、向左为负）随位置坐标x 变化的关系曲线为图（B）中的（）题 9-1 图分 析 与 解“无限大”均匀带电平板激发的电场强度为方向沿带电平板法向向外，依照电场叠加原理可以求得各区域电场强度的大小和方向.因而正确答案为（B）.9-2 下列说法正确的是（）（A）闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内一定没有电荷（B）闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内电荷的代数和必定为零（C）闭合曲面的电通量为零时，曲面上各点的电场强度必定为零（D）闭合曲面的电通量不为零时，曲面上任意一-点的电场强度都不可能为零分 析 与 解 依照静电场中的高斯定理，闭合曲面上各点电场强度都为零时,曲面内电荷的代数和必定为零，但不能肯定曲面内一定没有电荷；闭合曲面的电通量为零时，表示穿入闭合曲面的电场线数等于穿出闭合曲面的电场线数或没有电场线穿过闭合曲面，不能确定曲面上各点的电场强度必定为零；同理闭合曲面的电通量不为零，也不能推断曲面上任意一点的电场强度都不可能为零，因而正确答案为(B).9-3下列说法正确的是()(A)电场强度为零的点，电势也一定为零(B)电场强度不为零的点，电势也一定不为零(O电势为零的点，电场强度也一定为零(D)电势在某一区域内为常量，则电场强度在该区域内必定为零分 析 与 解 电场强度与电势是描述电场的两个不同物理量，电场强度为零表示试验电荷在该点受到的电场力为零，电势为零表示将试验电荷从该点移到参考零电势点时，电场力作功为零.电场中一点的电势等于单位正电荷从该点沿任意路径到参考零电势点电场力所作的功；电场强度等于负电势梯度.因而正确答案为(D).*9-4在一个带负电的带电棒附近有一个电偶极子，其电偶极矩p 的方向如图所示.当电偶极子被释放后，该电偶极子将()(A)沿逆时针方向旋转直到电偶极矩p 水平指向棒尖端而停止(B)沿逆时针方向旋转至电偶极矩p水平指向棒尖端，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动(C)沿逆时针方向旋转至电偶极矩p 水平指向棒尖端，同时逆电场线方向朝远离棒尖端移动(D)沿顺时针方向旋转至电偶极矩水平方向沿棒尖端朝外，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动题 9-4 图分 析 与 解 电偶极子在非均匀外电场中，除了受到力矩作用使得电偶极子指向电场方向外，还将受到个指向电场强度增强方向的合力作用，因而正确答案为(B).219-5精密实验表明，电子与质子电量差值的最大范围不会超过1 0 一 e,21而中子电量与零差值的最大范围也不会超过1(T e,由最极端的情况考虑，个有8个电子，8个质子和8个中子构成的氧原子所带的最大可能净电荷是多少？若将原子视作质点，试比较两个氧原子间的库仑力和万有引力的大小.21分 析 考虑到极限情况，假设电子与质子电量差值的最大范围为2x10-e,21中子电量为10-e,则由一个氧原子所包含的8个电子、8个质子和8个中子可求原子所带的最大可能净电荷.由库仑定律可以估算两个带电氧原子间的库仑力，并与万有引力作比较.解一个氧原子所带的最大可能净电荷为八=(1+2)x8x10-27二个氧原子间的库仑力与万有引力之比为互=max=2.8 X 1 0-6 1Fg 4叫)6 21显然即使电子、质子、中子等微观粒子带电量存在差异，其差异在10一 e范围内时,对于像天体一类电中性物体的运动，起主要作用的还是万有引力.9-6 1964年，盖尔曼等人提出基本粒子是由更基本的夸克构成，中子就是由 一 个 带 的 上 夸 克 和 两 个 带-的 下 夸 克 构 成.若 将 夸 克 作 为 经 典 粒3 3子处理(夸克线度约为10 m),中子内的两个下夸克之间相距2.60 x105m.求它们之间的相互作用力.解由于夸克可视为经典点电荷，由库仑定律1 e2-Te4兀4 r1 4%4兀4 r2=(3.7 8 N)e,F与径向单位矢量2 方向相同表明它们之间为斥力.9-7 点电荷如图分布，试求产点的电场强度.分 析 依照电场叠加原理,户点的电场强度等于各点电荷单独存在时在正点激发电场强度的矢量和.由于电荷量为q的一对点电荷在P点激发的电场强度大小相等、方向相反而相互抵消，。点的电场强度就等于电荷量为2.0g的点电荷在该点单独激发的场强度.解根据上述分析E=1 2q =qP 4 n s0(a/V 2)2 兀/a?q题 9-7 图9-8 若电荷Q 均匀地分布在长为L 的细棒上.求证：(1)在棒的延长线,且离棒中心为r 处的电场强度为1 Q7tn 4r2-13(2)在棒的垂直平分线上，离棒为r 处的电场强度为E=1 Q2冗%rd4r2+已若棒为无限长(即L-8),试将结果与无限长均匀带电直线的电场强度相比较.题 9-8 图分 析 这是计算连续分布电荷的电场强度.此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电荷处理.但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的长直线上.如图所示，在长直线上任意取线元dr,其电荷为dq=。&，它在点尸的电场强度为dE=1 dq4%r2整个带电体在点尸的电场强度E=Jd接着针对具体问题来处理这个矢量积分.(1)若点尸在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点P的电场强度方向相同，E=d E i(2)若点P在棒的垂直平分线上，如图(a)所示，则电场强度E沿x轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点P的电场强度就是E=jdv j =sindE j证 延 长 线 上 一 点 尸 的 电 场 强 度 利 用 几 何 关 系/=r-x统一积分变量，则E=I Qdx _ Q11 _1 _ 1 1 Q 】2 4兀 跖 心(广 一4TK0L _ r-L H r+L/2_ HE0 4r2-L2电场强度的方向沿x轴.(2)根据以上分析，中垂线上一点尸的电场强度E的方向沿y轴，大小为利用几何关系s in =r/r,r=r2+X2统一积分变量，则尸_ .2 1 r。必 _ Q“24兀 。+/严-2叼所工当棒长L-8时，若棒单位长度所带电荷力为常量，则P点电场强度-1 Q I L=lirn-0 0 2兀%r 71+4r2/L22%,此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同 图(b).这说明只要满足J/Z?1,带电长直细棒可视为无限长带电直线.9-9 -半径为R的半球壳，均匀地带有电荷，电荷面密度为。，求球心处电场强度的大小.题9-9图分 析 这仍是一个连续带电体问题，求解的关键在于如何取电荷元.现将半球壳分割为一组平行的细圆环，如图所示，从教材第9 3节的例2可以看出,所有平行圆环在轴线上尸处的电场强度方向都相同，将所有带电圆环的电场强度积分，即可求得球心。处的电场强度.解将半球壳分割为一组平行细圆环，任一个圆环所带电荷元dq =5 dS =，2 7 r R L si n e d。，在点磁发的电场强度为1 xd q .d E4/=-G-+7-产-产-由于平行细圆环在点。激发的电场强度方向相同，利用几何关系x=R c o s O ,厂=R si n。统一积分变量，有dE1 xd q4兀(八/产1-Rcos3.27 iR2s in 0d 062%si n O c o sA de积分得E=r0.利用教材第5-3 节中电偶极子在延长线上的电场强度1 2p4%x3可求得电场的分布.也可由点电荷的电场强度叠加，求电场分布.解 1水分子的电偶极矩p=2 p0cos 6=2%cos 0在电偶极矩延长线上E _ 1 2p _ 1 4e为cos。_ 1 ercosO4itQ x3 4TI0 XS ne0 x3解2在对称轴线上任取一点A,则该点的电场强度E=E +E.+E=2E+cos/3-E=2 夕cos。2e4叫4兀%/由于代入得/=/+蜡一 2 M cos。八%-rcoscos =-F 2e x-r0cos&1轨 （一+-2跖cosO广/测量分子的电场时，总有x 力，因此，式中*+蜡-2w0cos6/功 叫”4（1 3.空 当I .X）12 X）,将上式化简并略去微小量后，得E _ 1 qecos。7K o%39-11两条无限长平行直导线相距为小，均匀带有等量异号电荷，电荷线密度为九（1）求两导线构成的平面上任一点的电场强度（设该点到其中一线的垂直距离为x）;（2）求每-根导线上单位长度导线受到另一根导线上电荷作用的电场力.题9-1 1图分 析（1）在两导线构成的平面上任一点的电场强度为两导线单独在此所激发的电场的叠加.（2）由尸=q E,单位长度导线所受的电场力等于另一根导线在该导线处的电场强度乘以单位长度导线所带电量，即：尸=%E.应该注意：式中的电场强度E是另一根带电导线激发的电场强度，电荷自身建立的电场不会对自身电荷产生作用力.解（1）设点雕导线构成的平面匕E+、E-分别表示正、负带电导线在P点的电场强度，则有E=E_+E+f l 1 +-i(x r0-x)A2兀/丸 石 i2n0 x(小-x)(2)设尸+、尸-分别表示正、负带电导线单位长度所受的电场力，则有F+=AE=一2%FF=狙2的0%显然有尸+=尸，相互作用力大小相等，方向相反，两导线相互吸引.9-1 2设匀强电场的电场强度E 与半径为R 的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面的电场强度通量.题 9-12 图分析 方法1：作半径为R 的平面S 与半球面S 起可构成闭合曲面，由于闭合面内无电荷，由高斯定理E.d SZ q =0eo这表明穿过闭合曲面的净通量为零，穿入平面S的电场强度通量在数值上等于穿出半球面S 的电场强度通量.因而方法2：由电场强度通量的定义，对半球面S求积分，即 代=1E-d S解1由于闭合曲面内无电荷分布，根据高斯定理，有=1E.d S=-1g d 5依照约定取闭合曲面的外法线方向为面元d S的方向，0=-E -Tl R2-C0 S 7t =7 l R2E解2取球坐标系，电场强度矢量和面元在球坐标系中可表示为E =E(c o s(p e +s in 0 c o s O e,+s in(9s in e jd S =7?2s in 0 d d er0 =-d S =1 E 7?2s in2 in d d=E/?2s in2 d(9s in d(p=n R2E9-1 3地球周围的大气犹如一部大电机，由于雷雨云和大气气流的作用，在晴天区域，大气电离层总是带有大量的正电荷，云层下地球表面必然带有负电荷.晴天大气电场平均电场强度约为120 V-m-1,方向指向地面.试求地球表面单位面积所带的电荷(以每平方厘米的电子数表示).分 析 考虑到地球表面的电场强度指向地球球心，在大气层中取与地球同心的球面为高斯面，利用高斯定理可求得高斯面内的净电荷.解在大气层临近地球表面处取与地球表面同心的球面为高斯面，其半径R a HE(RE为地球平均半径).由高斯定理j E d S =-E 4 7 iR j=Yqeo地球表面电荷面密度cr=E q/4兀4一品=1.06x10-9 C.m-2单位面积额外电子数n=o 7(-e)=6.6 3 x 105 c m-29-1 4设在半径为硒球体内电荷均匀分布，电荷体密度为夕，求带电球内外的电场强度分布.分 析 电荷均匀分布在球体内呈球对称，带电球激发的电场也呈球对称性.根据静电场是有源场，电场强度应该沿径向球对称分布.因此可以利用高斯定理求得均匀带电球内外的电场分布.以带电球的球心为中心作同心球而为高斯面，依照高斯定理有3 dS=4 兀/=2上式中2 是高斯面内的电荷量，分别求出处于带电球内外的高斯面内的电荷量，即可求得带电球内外的电场强度分布.解依照上述分析，由高斯定理可得厂R 时，4nr2E=K/?J 3考虑到电场强度沿径向朝外，带电球体外的电场强度为E=-er3%产9-1 5两个带有等量异号电荷的无限长同轴圆柱面，半径分别为小 和尺 2（色R）,单位长度上的电荷为A.求离轴线为r处的电场强度：（1）r R i,（2）&r R2 题9-1 5图分析 电荷分布在无限长同轴圆柱面上，电场强度也必定沿轴对称分布，取同轴圆柱面为高斯面，只有侧面的电场强度通量不为零，且E-dS=E-27nz,求 出 不 同 半 径 高 斯 面 内 的 电 荷,即可解得各区域电场的分布.解作同轴圆柱面为高斯面，根据高斯定理r/?,E,=0Ri r =0七3=0在带电面附近，电场强度大小不连续，如 图（b）所示，电场强度有一跃变A 厂 2 2L GAE=-=-=2 兀 2 的0rL%9-1 6如图所示，有三个点电荷Q、。2、。3沿一条直线等间距分布且Q =0 3 =。.已知其中任一点电荷所受合力均为零，求在固定。I、。3的情况下，将。2从点南到无穷远处外力所作的功.yg 0Q2 g.1 _ d -二 _ 1 7题9-1 6图分析 由库仑力的定义，根据2、。3所受合力为零可求得。2.外力作功W应等于电场力作功啪负值，即W，=-W.求电场力作功的方法有两种：（1）根据功的定义，电场力作的功为W=Q2Edl其中E是点电荷、2产生的合电场强度.（2）根据电场力作功与电势能差的关系，有卬=。2 0-匕）=。2匕其 中 人 是、。3在点。产生的电势（取无穷远处为零电势）.解1由题意a所受的合力为零Q.0 2 ,+Q.Q：2=04T叫d-4%）（2d）-解得 0 2=-；。3=-由点电荷电场的叠加，Qi、。3激发的电场在y轴上任意一点的电场强度为E=4 +E3y=-y/22吟 口 +y）将。2从点。沿y轴移到无穷远处，（沿其他路径所作的功相同，请想一想为什么？）外力所作的功为W，“QE.3=一小切.嬴母铲dy=熹解2与解1相同，在任一点电荷所受合力均为零时。2=-；。，并由电势的叠加得a、。3在点。的电势匕Q _ 1 _ QQ4T T0J 4%d 2%(1将。2 从点。推到无穷远处的过程中，外力作功Q2卬=_0乂=*2 8 2比较上述两种方法，显然用功与电势能变化的关系来求解较为简洁.这是因为在许多实际问题中直接求电场分布困难较大，而求电势分布要简单得多.9-1 7已知均匀带电长直线附近的电场强度近似为E=e,.2兀%其中4为电荷线密度.（1）求在r=n和厂=厂2两点间的电势差；（2）在点电荷的电场中，我们曾取r-8处的电势为零，求均匀带电长直线附近的电势时,能否这样取？试说明.解（1）由于电场力作功与路径无关，若沿径向积分，则有不能.严格地讲，电场强度 =只适用于无限长的均匀带电直2兀%厂线,而此时电荷分布在无限空间，厂 一 8处的电势应与直线上的电势相等.9-18 一个球形雨滴半径为0.4 0 mm,带有电量1.6 p C,它表面的电势有多大？两个这样的雨滴相遇后合并为一个较大的雨滴，这个雨滴表面的电势又是多大？分 析 取无穷远处为零电势参考点，半径为R 带电量为q的带电球形雨滴表面电势为V=幺4冗 R当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后，半径增大为啦R,代入上式后可以求出两雨滴相遇合并后，雨滴表面的电势.解 根据已知条件球形雨滴半径R i =O.4 0 mm,带有电量/=1.6 p C,可以求得带电球形雨滴表面电势V.=1-如=36V4/R 当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后，雨 滴 半 径&=血&,带 有 电 量夕 2=241,雨滴表面电势匕=1 力=57V-4肱 V27?,9-1 9电 荷 面 密 度 分 别 为 和 一c的两块“无限大”均匀带电的平行平板,如图(a)放置，取坐标原点为零电势点，求空间各点的电势分布并画出电势随位置坐标x 变化的关系曲线.题 9-1 9 图分析 由于“无限大”均匀带电的平行平板电荷分布在“无限”空间，不能采用点电荷电势叠加的方法求电势分布：应该首先由“无限大”均匀带电平板的电场强度叠加求电场强度的分布，然后依照电势的定义式求电势分布.解 由“无限大”均匀带电平板的电场强度2i,叠加求得电场强度的2%分布，0(X -6Z)E=一i(-a xa)0(XQ)电势等于移动单位正电荷到零电势点电场力所作的功V =x(-a xa)5飞V=raEd/+E dl=a(x a)。电势变化曲线如图(b)所示.9-20两个同心球面的半径分别为必和飞,各自带有电荷口 和。2 .求:(1)各区域电势分布，并画出分布曲线；(2)两球面间的电势差为多少？题 9-2 0 图分 析 通常可采用两种方法.方法(D由于电荷均匀分布在球面上，电场分布也具有球对称性，因此，可根据电势与电场强度的积分关系求电势.取同心球面为高斯面，借助高斯定理可求得各区域的电场强度分布，再 由 匕=E 出可求得电势分布.(2)利用电势尚加原理求电势.一个均匀带电的球面，在球面外产生的电势为4 兀 分 厂在球面内电场强度为零，电势处处相等，等于球面的电势V =4 ne07?其中R 是球面的半径.根据上述分析，利用电势叠加原理，将两个球面在各区域产生的电势叠加，可求得电势的分布.解 1 (1)由高斯定理可求得电场分布弓=0(厂 居)0 94%/21+0 2 c4%（Rtrg）由电势V=/E-d/可求得各区域的电势分布.当rW R时，有匕=出+二 2 出+上当 出=o+旦J_ L _ _ L +上24兀 （）R R2 4兀%/?2_ 0+I Q4无 0 居 4T O?07?2当R W W R?时，有V2=f F2-d/+E3-d/Q11 14TO0 _r R2I 2+Q4%）/?2_ Qi Q?4形04%R2当r2/?2时，有(2)两个球面间的电势差U12=匕解2(1)由各球面电势的叠加计算电势分布.若该点位于两个球面内，BPrW R i,则乂=上一=4716(,/?,4ne07?2若该点位于两个球面之间，即色，则v,=a+=-4;i0r 4 7 t07?2若该点位于两个球面之外，即,则匕 _。1+。24 7 tor（2）两个球面间的电势差 2=仅一匕力一氏=-力 z 4 n07?|4 兀 R,9-2 1 一半径为R 的无限长带电细棒，其内部的电荷均匀分布，电荷的体密度为6现取棒表面为零电势，求空间电势分布并画出分布曲线.题 9-2 1 图分 析 无限长均匀带电细棒电荷分布呈轴对称，其电场和电势的分布也呈轴对称.选取同轴柱面为高斯面，利用高斯定理c（E -（1 5 =pdV%可求得电场分布后（力，再根据电势差的定义Va-Vb=E（r）-dl并取棒表面为零电势（%=0），即可得空间任意点。的电势.解取高度为/、半径为r且与带电棒同轴的圆柱面为高斯面，由高斯定理当W R时E 2TI/7=兀得（）=2%当r eR时E 2nd=兀/?/%得 凤厂）=退取棒表面为零电势，空间电势的分布有当r WR时当时如图所示是电势V随空间位置r 的分布曲线.29-2 2 一圆盘半径R=3.0 0 X l（r m.圆盘均匀带电，电荷面密度 r=2.0 05 2X 1 0 C.m-.（1）求轴线上的电势分布；（2）根据电场强度与电势梯度的关系求电场分布；（3）计算离盘心3 0.0 cm处的电势和电场强度.题 9-2 2 图分 析 将圆盘分割为一组不同半径的同心带电细圆环，利用带电细环轴线上一点的电势公式，将不同半径的带电圆环在轴线上一点的电势积分相加，即可求得带电圆盘在轴线上的电势分布，再根据电场强度与电势之间的微分关系式可求得电场强度的分布.解（1）如图所示，圆盘上半径为r的带电细圆环在轴线上任一点R 激发的电势1 2兀rdrdV=-,4无 r2+x2由电势叠加，轴线上任一点P 的电势的（2）轴线上任一点的电场强度为 dV.（7,xE=-1 =1 ,心 2%|_+产电场强度方向沿x轴方向.（3）将场点至盘心的距离x =3 0.0 cm分别代入式（D和式（2）,得V=1 691VE=5 607 V-m-1当x R时，圆盘也可以视为点电荷，其电荷为q =2 b =5 65x10-8 c.依照点电荷电场中电势和电场强度的计算公式，有V=1695V4%xE=q,=5649V m47TOX由此可见，当xR时，可以忽略圆盘的儿何形状，而将带电的圆盘当作点电荷来处理.在本题中作这样的近似处理，万口邺（误差分别不超过0.3%和0.8%,这已足以满足一般的测量精度.9-2 3 两个很长的共轴圆柱面（R=3.0 X 1 0 2 m,R2=0.1 0 m）,带有等量异号的电荷，两者的电势差为4 5 0 V.求：（1）圆柱面单位长度上带有多少电荷？（2）r=0.0 5 m 处的电场强度.解（1）由习题9 1 5 的结果，可得两圆柱面之间的电场强度为2兀 （）根据电势差的定义有0 1 2 =解得 =2 7 i%U i 2/l n里=2.1 x 1 0-8 c.m-iR（2）解得两圆柱面之间r=0.0 5 m处的电场强度E =-=7 4 7 5 V -m-12itsar9-2 4轻原子核（如氢及其同位素笊、瓶的原子核）结合成为较重原子核的过程，叫做核聚变.在此过程中可以释放出巨大的能量.例如四个氢原子核（质子）结合成一个氯原子核（a粒子）时，可释放出2 5.9 M e V的能量.即4；H-2 He +2 e +2 5.9 M e V这类聚变反应提供了太阳发光、发热的能源.如果我们能在地球上实现核聚变，就能获得丰富廉价的能源.但是要实现核聚变难度相当大，只有在极高的温度下，使原子热运动的速度非常大，才能使原子核相碰而结合，故核聚变反应又称作热核反应.试估算：（1）一个质子（；H ）以多大的动能（以电子伏特表示）运动，才能从很远处到达与另一个质子相接触的距离？（2）平均热运动动能达到此值时，温度有多高？（质子的半径约为1.0 X i。m）分析 作为估算，可以将质子上的电荷分布看作球对称分布，因此质子周围的电势分布为将质子作为经典粒子处理，当另一质子从无穷远处以动能&飞向该质子时，势能增加，动能减少，如能克服库仑斥力而使两质子相碰，则质子的初始动能线0 e2R1 e24 n sQr 2R假设该氢原子核的初始动能就是氢分子热运动的平均动能，根据分子动理论知：3Ek=kTk 2由上述分析可估算出质子的动能和此时氢气的温度.解(1)两个质子相接触时势能最大，根据能量守恒EKO e V,R=7.2 x 105 eV4%/2R由1?k 0=一加次可估算出质子初始速率KU 2 Uv0=2k0/m=1.2xlOz m-s-1该速度已达到光速的4%.(2)依照上述假设，质子的初始动能等于氢分子的平均动能_ 3Eko=卜=产2F得T=也 a 5.6 x MV K3k实际上在这么高的温度下，中性原子已被离解为电子和正离子，称作等离子态，高温的等离子体不能用常规的容器来约束，只能采用磁场来约束(托卡马克装置)9-2 5在一次典型的闪电中，两个放电点间的电势差约为1 0 9 V,被迁移的电荷约为3 0 C.(1)如果释放出来的能量都用来使0 的冰融化成0 的水，则可溶解多少冰？(冰的融化热L=3.3 4 X IO5 J-k g)(2)假设每一个家庭一年消耗的能量为3 OOOk W h,则可为多少个家庭提供一年的能量消耗？解(1)若闪电中释放出来的全部能量为冰所吸收，故可融化冰的质量m=8.98xl04 kg即可融化约90吨冰.(2)一个家庭一年消耗的能量为0=3 OOOkW-h=l.O8xlO10 Jn =-=-=Z.oE 一次闪电在极短的时间内释放出来的能量约可维持3个家庭一年消耗的电能.9-26已知水分子的电偶极矩尸6.1 7 X 1 0二 C m.这个水分子在电场强度6=1.0 X 1 05 v.m 的电场中所受力矩的最大值是多少？分 析 与 解 在均匀外电场中，电偶极子所受的力矩为M=pxE当电偶极子与外电场正交时，电偶极子所受的力矩取最大值.因而有=pE=6.17x10-25 N.m9-2 7电子束焊接机中的电子枪如图所示，K为阴极，A为阳极，阴极发射的电子在阴极和阳极电场加速下聚集成-细束，以极高的速率穿过阳极上的小孔，射到被焊接的金属上使两块金属熔化在一起.已知UAK=2.5 xl（）4 v,并设电子从阴极发射时的初速度为零，求：（1）电子到达被焊接金属时具有的动能；（2）电子射到金属上时的速度.分 析 电子被阴极和阳极间的电场加速获得动能,获得的动能等于电子在电场中减少的势能.由电子动能与速率的关系可以求得电子射到金属上时的速度.解（1）依照上述分析，电子到达被焊接金属时具有的动能线=6%=2.5X104 e V（2）由于电子运动的动能远小于电子静止的能量，可以将电子当做经典粒子处理.电子射到金属上时的速度0AK题 9-2 7 图第十章 静电场中的导体与电介质10-1将一个带正电的带电体A 从远处移到一个不带电的导体B 附近，则导体B 的电势将（）（A）升高（B）降低（C）不会发生变化（D）无法确定分 析 与 解 不带电的导体B 相对无穷远处为零电势.由于带正电的带电体A移到不带电的导体B 附近时，在导体B 的近端感应负电荷；在远端感应正电荷，不带电导体的电势将高于无穷远处，因而正确答案为（A）.10-2将一带负电的物体M 靠近不带电的导体N,在N 的左端感应出正电荷，右端感应出负电荷.若将导体N 的左端接地（如图所示），则（）（A）N 上的负电荷入地（B）N 上的正电荷入地（C）N 上的所有电荷入地（D）N 上所有的感应电荷入地题 1 0-2 图分析与解 导体N 接地表明导体N 为零电势，即与无穷远处等电势，这与导体N 在哪一端接地无关.因而正确答案为（A）.10-3如图所示将一个电量为g 的点电荷放在一个半径为R 的不带电的导体球附近，点电荷距导体球球心为d,参见附图.设无穷远处为零电势，则在导体球球心。点 有（）(A)E =Q,V =4%d(B)E =4 兀%小 4 的(/(C)E=0,V=0题 1 0-3 图分 析 与 解 达到静电平衡时导体内处处各点电场强度为零.点电荷q在导体球表面感应等量异号的感应电荷导体球表面的感应电荷士q 在球心。点激发的电势为零，。点的电势等于点电荷q在该处激发的电势.因而正确答案为（A）.10-4根据电介质中的高斯定理，在电介质中电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于这个曲面所包围自由电荷的代数和.下列推论正确的是（）（A）若电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于零，曲面内一定没有自由电荷（B）若电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于零，曲面内电荷的代数和一定等于零（C）若电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分不等于零，曲面内一定有极化电荷（D）介质中的高斯定律表明电位移矢量仅仅与自由电荷的分布有关（E）介质中的电位移矢量与自由电荷和极化电荷的分布有关分 析 与 解 电位移矢量沿任意一个闭合曲面的通量积分等于零，表明曲面内自由电荷的代数和等于零；由于电介质会改变自由电荷的空间分布，介质中的电位移矢量与自由电荷与位移电荷的分布有关.因而正确答案为（E）.1 0-5 对于各向同性的均匀电介质，下列概念正确的是（）（A）电介质充满整个电场并且自由电荷的分布不发生变化时，电介质中的电场强度一定等于没有电介质时该点电场强度的1/倍（B）电介质中的电场强度一定等于没有介质时该点电场强度的1/,倍（C）在电介质充满整个电场时，电介质中的电场强度一定等于没有电介质时该点电场强度的1/，倍（D）电介质中的电场强度一定等于没有介质时该点电场强度的 r 倍分析与解 电介质中的电场由自由电荷激发的电场与极化电荷激发的电场迭加而成，由于极化电荷可能会改变电场中导体表面自由电荷的分布，由电介质中的高斯定理，仅当电介质充满整个电场并且自由电荷的分布不发生变化时，在电介质中任意高斯面S 有0 i即E=E 0/e r,因而正确答案为（A）.1 0-6 不带电的导体球A含有两个球形空腔，两空腔中心分别有一点电荷%、，导体球外距导体球较远的r处还有一个点电荷现（如图所示）.试求点电荷佻、蛇、夜各受多大的电场力.题 1 0-6 图分 析 与 解 根据导体静电平衡时电荷分布的规律，空腔内点电荷的电场线终止于空腔内表面感应电荷；导体球A外表面的感应电荷近似均匀分布，因而近似可看作均匀带电球对点电荷方的作用力.F=（%+%47tor2点电荷仰 与导体球A外表面感应电荷在球形空腔内激发的电场为零，点电荷 佻、生处于球形空腔的中心，空腔内表面感应电荷均匀分布，点电荷佻、姓受到的作用力为零.10-7 一真空二极管，其主要构件是一个半径=5.0 X 1 0 m的圆柱形阴极和一个套在阴极外、半径心=4.5 X 1 0-巾 的同轴圆筒形阳极.阳极电势比阴极电势高3 0 0 V,阴极与阳极的长度均为L=2.5 X 1（）T m.假设电子从阴极射出时的速度为零.求：（1 ）该电子到达阳极时所具有的动能和速率；（2 ）电子刚从阳极射出时所受的力.题1 0-7图分析（1）由于半径期 Z q/o,根据不同半径的高斯面内的电荷分布，解得各区域内的电场分布为r 时，g(r)=0R CrV R z 时，2(r)=4 兀 8 0 rr R z 时，用(r)=Q+&2 ,4兀 犷由电场强度与电势的积分关系，可得各相应区域内的电势分布.r V R 时,=q+Q4兀内 4兀 0%RirR2 时，V3=f d ZQ +q47T6,0r也可以从球面电势的叠加求电势的分布:在导体球内（r 心）为匕=4兀由题意匕=%=一+一 4 麻 04 470/?!得q=4n0Ry0=-Q于是可求得各处的电场强度和电势的分布：r V/?i时,4=0；匕=匕R i r R i 时，,(RRJQ,&V。、(RRJQc-1 -f -)，-1 厂 4 兀 。&广 r 4naR2r1 0-9地球和电离层可当作球形电容器，它们之间相距约为100 k m,试估算地球一电离层系统的电容.设地球与电离层之间为真空.解 由于地球半径Ri=6.37X 10 m；电离层半径Rz=1.00X 10 m+R 1=6.47X 106 m,根据球形电容器的电容公式，可得C=4兀 式 氏=4.58x1 C T?F1 0-1 0两线输电线，其导线半径为3.26 m m,两线中心相距0.50 m,导线位于地面上空很高处，因而大地影响可以忽略.求输电线单位长度的电容.分析 假设两根导线带等量异号电荷，电荷在导线上均匀分布，则由长直带电线的电场叠加，可以求出两根带电导线间的电场分布，E=E+E+再由电势差的定义求出两根导线之间的电势差，就可根据电容器电容的定义，求出两线输电线单位长度的电容解建立如图坐标，带等量异号电荷的两根导线在尸点激发的电场强度方向如图，由上述分析可得P点电场强度的大小为E=-(-)2兀4 x d-x电场强度的方向沿/由，电线自身为等势体，依照定义两导线之间的电势差为U=(-一)ch,2兀 x d-x上式枳分得因此，输电线单位长度的电容C=%/ln J /ln(代入数据 C=5.52xl()T2 F题10-10图1 0-1 1电容式计算机键盘的每一个键下面连接一小块金属片，金属片与底板上的另一块金属片间保持一定空气间隙，构成一小电容器(如图).当按下按键时电容发生变化，通过与之相连的电子线路向计算机发出该键相应的代码信号.假设金属片面积为50.0 mrrr,两金属片之间的距离是0.600 mm.如果电路能检测出的电容变化量是0.250 p F,试问按键需要按下多大的距离才能给出必要的信号？题 10-11图分析 按下按键时两金属片之间的距离变小，电容增大，由电容的变化量可以求得按键按下的最小距离：解按下按键时电容的变化量为 C=。S _d d0按键按下的最小距离为Anin=dn-d =Cd：d AC+=0.152mm10-12 一片二氧化钛晶片，其面积为1.0 cm?,厚度为0.10 m m.把平行平板电容器的两极板紧贴在晶片两侧.（1）求电容器的电容；（2）当在电容器的两极间加H 2 V电压时，极板上的电荷为多少？此时自由电荷和极化电荷的面密度各为多少？（3）求电容器内的电场强度.解（1）查表可知二氧化钛的相对电容率*=1 7 3,故充满此介质的平板电容器的电容C=5 3 x 1 0-9 Fd(2)电容器加上U =1 2 V的电压时，极板上的电荷Q =C U =1.8 4 x 1 0 8 c极板上自由电荷面密度为3 =2=1.8 4 x l(r 8 c.m-2o S晶片表面极化电荷密度-1 1 “，/=1-r T0=1.8 3 x l 0-4 C m-2L4(3)晶片内的电场强度为=-=1.2 x l 05 V -m-11 0-1 3 如图所示，半径R =0.1 0 m的导体球带有电荷Q =1.0 X 1 0 sC,导体外有两层均匀介质，一层介质的%=5.0,厚度d -0.10 m,另一层介质为空气，充满其余空间.求：(1)离球心为r =5 c m、1 5 c m、2 5 cm处的。和E；(2)离球心为r =5 c m、1 5 c m、2 5 cm处的匕(3)极化电荷面密度分析 带电球上的自由电荷均匀分布在导体球表面，电介质的极化电荷也均匀分布在介质的球形界面上，因而介质中的电场是球对称分布的.任取同心球面为高斯面，电位移矢量D的通量与自由电荷分布有关，因此，在高斯面上D呈均匀对称分布，由高斯定理可得。（厂）再由E=D/q j 可得E（r）.介质内电势的分布，可由电势和电场强度的积分关系V =7/求得，或者由电势叠加原理求得.极化电荷分布在均匀介质的表面，其极化电荷面密度|b 卜Pn.解（1）取半径为r的同心球面为高斯面，由高斯定理得r R D、-4兀r2=0=0；,=0R r R+d。3,4兀尸=。4:熹当岛将不同的r值代入上述关系式，可得r=5 c m、1 5 cm和2 5 cm时的电位移和电场强度的大小，其方向均沿径向朝外.r i =5 c m,该点在导体球内，则0=0；=0rr-2=1 5 c m,该点在介质层内，r=5.0,贝|JDr=-=3.5 x 1 0-8 C m-22 4%2E =8.0 x l 02 V-m-2 4唳 4n =2 5 c m,该点在空气层内，空气中，则D,=-T=1.3 x l O-8Cm-2；5 4叫2E=1.4 x l 03 V.m-13 4%片（2）取无穷远处电势为零，由电势与电场强度的积分关系得r-i=2 5 c m,“E/d r =3 60 V1 47tMf 2 =1 5 c m,匕=f1R+d%Q _ Q _!Q4n0rr2 4 兀/2低+4)4n()(R+d)=4 8 0 Vr i =5 c m,M+d f O OQ_ Q _,Q4%4 R 4 /4(R+d)4 兀%(7?+d)=54 0 V(3)均匀介质的极化电荷分布在介质界面上，因空气的电容率e=极化电荷可忽略.故在介质外表面；-,=4；潞)2o=Pn=(a 1 I%=L 6 x KT*C-n r 24%(R+d)2在介质内表面:P,=(r-l 04叫广，=-p=(与 -1.=-6.4 x 1 CT C.m-2”4%产介质球壳内、外表面的极化电荷面密度虽然不同，但是两表面极化电荷的总量还是等量异号.1 0-1 4 人体的某些细胞壁两侧带有等量的异号电荷.设某细胞壁厚为5.29X 1(T m,两表面所带面电荷密度为 5.2 X 1 0 T C/m；,内表面为正电荷.如果细胞壁物质的相对电容率为6.0,求（1）细胞壁内的电场强度;（2）细胞壁两表面间的电势差.解（1）细胞壁内的电场强度E=9.8 x l（）6 V/m；方向指向细胞外.%殍（2）细胞壁两表面间的电势差U =Ed =5.1 x 1 0-2 v .1 0-1 5 如 图（a）所示，有两块相距为0.50的薄金属板A、B 构成的空气平板电容器被屏蔽在一金属盒K内，金属盒上、下两壁与A、B分别相距0.2 5 mm,金属板面积为3 0 m m X 4 0 m m.求（1）被屏蔽后电容器的电容变为原来的几倍；（2）若电容器的一个引脚不慎与金属屏蔽盒相碰，问此时的电容又为原来的几倍？分 析 薄金属板A、B 与金属盒一起构成三个电容器，其等效电路图如图（b）所示，由于两导体间距离较小，电容器可视为平板电容器，通过分析等效电路图可以求得A、B 间的电容.解（1）由等效电路图可知由于电容器可以视作平板电容器，且4 =2刈=2 4,，故。2=0 3 =26，因此A、B间的总电容